Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Том 71, № 2 (2025)
КЛАССИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЛИНЕЙНОЙ АКУСТИКИ И ТЕОРИИ ВОЛН
Экспериментальный метод определения потерь энергии в колебательных системах, основанный на ARMA-моделировании
Аннотация
Демпфирование (диссипация, потери энергии) — важнейший параметр всех механических колебательных систем наряду с упругостью и инерцией. Его особая роль обусловлена тем, что оно напрямую определяет максимальные амплитуды свободных и вынужденных колебаний систем и, соответственно, их динамическую прочность и надежность, шумность и экологию. Ввиду малой изученности физических процессов демпфирования его измеряют экспериментально. В данной статье излагается один из новых эффективных методов экспериментального определения потерь, отличающийся простотой, высокой точностью и широким диапазоном применимости. Основное внимание уделено обоснованию метода, его свойствам и доказательству его работоспособности в численных и лабораторных экспериментах. Метод рекомендуется для измерения потерь составных сильно демпфированных колебательных систем, где известные методы не работают или излишне сложны.
Акустический журнал. 2025;71(2):155-175
155-175
Вибрационная черная дыра для крутильных волн, распространяющихся по стержню переменного сечения
Аннотация
Рассмотрено распространение крутильных волн в стержнях переменного сечения. При линейном увеличении сплющивания стержня скорость распространения крутильной волны также уменьшается линейно и на конечной длине стержня обращается в ноль. При этом время распространения до заостренного конца равно бесконечности. Такая замедляющая конструкция в современной терминологии называется вибрационной черной дырой. Получены точные решения уравнения крутильных колебаний заостренного стержня с моментом инерции и моментом кручения в виде степенных функций и соответствующие выражения для входного импеданса со стороны начального сечения.
Акустический журнал. 2025;71(2):176-183
176-183
Зоны торможения волн в двоякопериодическом упругом волноводе из тел, соединенных тонкими стержнями
Аннотация
Исследуется периодический изотропный и однородный упругий волновод, который образован идентичными массивными телами, соединенными тонкими горизонтальными стержнями и прикрепленными вертикальными стержнями к жесткому полупространству. Посредством процедуры понижения размерности на стержнях и анализа взаимодействия жестких смещений и сингулярных полей в теле построена асимптотика собственных чисел модельной задачи на ячейке периодичности, зависящих от параметров Флоке. В результате найдены асимптотические формулы для длин и положения спектральных сегментов (зон прохождения волн) и обнаружены раскрытые лакуны (зоны торможения волн).
Акустический журнал. 2025;71(2):184-194
184-194
Исследование отражения и прохождения звука через упругий слой с включениями методом конечных элементов
Аннотация
Описан подход к моделированию поглощающих свойств акустических материалов с внутренней структурой, основанный на методе конечных элементов. Акцент сделан на резиноподобных материалах с включениями полостей, обеспечивающих интенсивное рассеивание в материале. Приводится апробация методики и исследование точности метода путем сравнения с ранее опубликованными результатами. Проводится анализ изменения акустических свойств неоднородного материала в условиях внешней статической нагрузки в линейной постановке.
Акустический журнал. 2025;71(2):195-205
195-205
АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
Линии равных фаз и фазовый инвариант в звуковом поле глубокого моря
Аннотация
Выполнено исследование пространственно-частотных характеристик амплитуд и фаз звукового давления в глубоком море. Получены аналитические соотношения, позволяющие рассчитать и сравнить амплитудно-фазовые структуры водных, вытекающих и захваченных мод, а также поля звукового давления, образованного суммой мод. Расчеты выполнены с использованием модифицированного ВКБ (Вентцеля–Крамерса–Бриллюэна) приближения. Показано, что в глубоком море, как и в мелком, существуют устойчивые линии равных фаз, вдоль которых при определенных условиях возможно когерентное суммирование комплексных фурье-компонент. Для описания линий равных фаз получено дифференциальное уравнение, использующее в качестве базового параметра фазовый инвариант, уже исследованный в мелком море. Это позволило и для глубокого моря изучить свойства фазового инварианта, соответствующего водным, вытекающим и захваченным модам во всех зонах звукового поля. Установлено, что на разных расстояниях в построенном по сумме всех мод поле проявляются инвариантные свойства, прежде всего тех мод, которые на данных расстояниях доминируют. Показано, что сформированные в ближней зоне освещенности и в зоне тени вытекающие моды, образованные отраженными от дна крутыми лучами, обладают инвариантными свойствами только на больших расстояниях от источника. Водные и захваченные моды обладают инвариантными свойствами в полной мере и на всех расстояниях. Даются рекомендации по использованию линий равных фаз и фазового инварианта при обработке экспериментальных данных и моделировании.
Акустический журнал. 2025;71(2):218-231
218-231
Теоретический анализ влияния слаборасходящихся пучков на формирование пространственно-временной структуры импульсных сигналов в Японском море
Аннотация
Численным моделированием с использованием модовой теории и геометроакустического приближения установлено, что наряду с присутствующими типичными четверками импульсов в пространственно-временной структуре акустического поля появление с малыми задержками по отношению к ним дополнительных сигналов обусловлено формированием в подводном звуковом канале Японского моря слаборасходящихся многомодовых пучков, которым соответствуют гладкие экстремумы у зависимостей пространственного периода интерференции соседних мод и их групповой скорости от номера моды. На примере одной из двух характерных для Японского моря стратификаций скорости звука показано, что при относительно высоких частотах излучения возможна регистрация двух групп дополнительных сигналов, которым соответствуют слаборасходящиеся пучки, сформированные модами сравнительно низких и высоких номеров.
Акустический журнал. 2025;71(2):232-240
232-240
Флуктуации акустического импульсного отклика и когерентная звукоподводная связь в мелком море в осенних условиях
Аннотация
Представлены результаты натурного эксперимента, направленного на оценку временной изменчивости импульсного отклика гидроакустического канала и эффективности когерентной звукоподводной связи с помощью придонных источников и приемников на частотах ~10 кГц на шельфе Черного моря в осенний период. В структуре импульсного отклика на протяжении всего эксперимента (~36 ч) наблюдались три выраженных максимума переменной амплитуды. Диапазон изменчивости уровня среднеквадратической ошибки декодирования составил ~11 дБ, доля битовых ошибок варьировалась в диапазоне от 0 до 0.10. Выявлена связь величин ошибок декодирования сигналов с амплитудой максимального прихода в структуре опорного импульсного отклика, соответствующего группе однократно отраженных от поверхности лучей, а также с коэффициентом вариации высокочастотных флуктуаций амплитуды этого прихода в мгновенной оценке импульсного отклика. С помощью численного моделирования подтверждена гипотеза о том, что в осенних условиях, характеризующихся отсутствием выраженного сезонного термоклина, основной гидрофизической причиной изменчивости амплитуды основного прихода и, как следствие, эффективности звукоподводной связи, является незначительное (доли градуса) изменение температуры в водном слое.
Акустический журнал. 2025;71(2):241-259
241-259
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ. ШУМЫ И ВИБРАЦИИ
Звукоизоляция фюзеляжных самолетных конструкций с различным составом резонансных элементов
Аннотация
Проблема снижения шума в салоне винтового самолета является актуальной задачей внутренней акустики, так как традиционные звукоизолирующие конструкции не обладают достаточной эффективностью в области низких частот. Одним из перспективных способов ее решения является применение резонансных систем, с помощью которых можно существенно увеличить звукоизоляцию бортовой фюзеляжной конструкции самолета в этом частотном диапазоне. В данной работе экспериментально определено влияние резонансных систем на звукоизолирующую способность плоских и цилиндрических панелей без подкрепления и с перекрестным подкреплением, моделирующим силовой набор фюзеляжа, а также определена эффективность облицовки салона пассажирского самолета резонансными системами различного состава. Испытания проводились в звукомерных камерах и на натурном стенде, представляющем собой реальный пассажирский самолет. При облицовке испытываемых конструкций использованы упруго-акустические резонаторы различного вида с резонансными элементами, изготовленными с применением фольги, микалентной бумаги и термополиуретана. Показано, что эффективность таких резонансных систем может достигать 10–20 и более децибел.
Акустический журнал. 2025;71(2):299-304
299-304
НЕЛИНЕЙНАЯ АКУСТИКА
Численное решение задачи ультразвукового объемного нагрева биоткани с поверхностным охлаждением
Аннотация
Одним из нежелательных эффектов при использовании ультразвука для экстракорпоральной терапии является перегрев кожи, вызванный как поглощением в ней ультразвука, так и контактом с нагретой поверхностью акустического излучателя. Для подавления этого эффекта может быть использовано размещение между кожей и излучающей поверхностью принудительно охлаждаемой контактной среды. Недавно в ЮФУ был предложен и разработан новый ультразвуковой аппликатор, реализующий этот подход. В нем для объемного нагревания подкожных участков биоткани используется пьезокерамический преобразователь прямоугольной формы, наклеенный на алюминиевую пластину, которая охлаждается посредством циркуляции холодной воды через просверленные в ней боковые каналы. В настоящей работе разработан численный алгоритм для расчета трехмерного температурного поля в ткани в процессе работы указанного аппликатора. Моделирование проводилось на основе неоднородного уравнения теплопроводности. Для расчета тепловых источников в ткани использовались экспериментальные данные акустической голографии, полученные для разработанного излучателя. Рассмотрен пример нагревания ткани говяжьей печениexvivoпри времени облучения от нескольких секунд до нескольких минут. Результаты моделирования сравнивались с данными эксперимента по тепловой абляции ткани при акустической мощности излучателя 12 Вт и частоте ультразвука 6.96 МГц. Показано, что комбинация теплового воздействия на ткань и охлаждения контактной границы позволяет осуществлять объемный нагрев ткани с максимумом температуры на глубине от 8 до 15 мм при незначительном изменении температуры на глубинах до 2–3 мм.
Акустический журнал. 2025;71(2):206-217
206-217
АТМОСФЕРНАЯ И АЭРОАКУСТИКА
Корреляционная функция равновесных термоакустических флуктуаций в вязком теплопроводном газе
Аннотация
Рассмотрена задача нахождения пространственно-временной корреляционной функции термоакустических флуктуаций газа, находящегося вблизи термодинамического равновесия. Получено выражение для корреляционной функции равновесных тепловых флуктуаций поля давления вязкого теплопроводного совершенного газа, заполняющего неограниченное евклидово пространство. Исследовано влияние границы на корреляционные характеристики термоакустических флуктуаций давления на примере вязкого изоэнтропийного совершенного газа, заполняющего трубу малого сечения с краевыми условиями твердой стенки на концах и периодическими условиями для случая трубы, замкнутой в окружность.
Акустический журнал. 2025;71(2):260-272
260-272
ОБРАБОТКА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Компенсация влияния смещений преобразователей антенной решетки на данные томографирования
Аннотация
Разработана и численно апробирована методика коррекции полей, регистрируемых антенной решеткой с неидеальным расположением излучающих и приемных преобразователей. Смещения преобразователей от их идеальных положений определяются предварительно. Методика коррекции предполагает нахождение угловых гармоник на основе полей, измеренных при смещенных преобразователях. Тогда эти найденные угловые гармоники позволяют пересчитать поля при идеальных положениях преобразователей, а также непосредственно рассчитать амплитуду рассеяния. Такие скорректированные данные являются входными для этапа восстановления акустических томограмм — внутренней структуры объекта. Численным моделированием проиллюстрировано, что в отсутствие коррекции данных, измеренных в реальных условиях, томограммы могут разрушаться.
Акустический журнал. 2025;71(2):305-322
305-322
АКУСТИКА СТРУКТУРНО НЕОДНОРОДНЫХ ТВЕРДЫХ СРЕД. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
О возможности обнаружения в поле поверхностных волн геологических тел, не имеющих скоростного контраста
Аннотация
С использованием математической модели в рамках линейной теории упругости рассмотрены интересные как с теоретической, так и с практической точек зрения постановки задачи по облучению поверхностными волнами упругого полупространства, содержащего одиночное заглубленное тело, физические свойства которого отличны от свойств материала вмещающей среды, но упругие модули и плотность изменяются согласованным образом так, что скорости как P- так и S-волн не отличаются от таковых во вмещающей среде. Показано, что такие заглубленные неоднородности, несмотря на отсутствие скоростного контраста, могут быть картированы как в плане, так и по глубине, в широкополосном поле поверхностных волн Рэлея по вариациям спектральной амплитуды сигнала, регистрируемого в нескольких точках на поверхности.
Акустический журнал. 2025;71(2):273-283
273-283
Статистические характеристики внутренней структуры сейсмического фона над залежью углеводородов
Аннотация
Проведено изучение тонкой структуры сейсмического фона на территории нефтяного месторождения с использованием полиспектрального анализа и суррогатных моделей. Статистический тест на гауссовость и линейность показал, что естественный сейсмический фон в диапазоне частот 1–50 Гц является нелинейным процессом. По графикам бикогерентности выявлены статистически значимые пики фазово-связанных триплетов с характерной геометрией кластеризации пиков в главной треугольной области. Для анализа квазишумовой составляющей сейсмического фона были сгенерированы суррогатные временные ряды с рандомизированным фазовым спектром, биспектры которых свободны от триплетных пиков. Биспектральный анализ суррогатных рядов показал наличие в сейсмическом фоне негауссовой квазишумовой компоненты в диапазоне частот 1–6 Гц. Ранее опубликованы результаты анализа использованного набора записей двумя совершенно различными методами, каждый из которых извлекает информацию из разных составляющих сейсмического фона — квазишумовой и регулярной. Эти исследования показали, что в каждой из двух составляющих содержится информация, достаточная для оценки суммарной толщины продуктивных интервалов под точкой регистрации. На основании результатов биспектрального анализа и особенностей алгоритмов двух методов сделан вывод о том, что квадратично фазово-связанные триплеты и негауссова квазишумовая компонента на территории месторождения являются проявлениями эндогенной сейсмической эмиссии и порождены одним и тем же нелинейным процессом, развивающимся в окрестности нефтенасыщенного коллектора. Механизм сейсмической эмиссии следует искать в классе явлений с квадратичной нелинейностью. Статистические характеристики внутренней структуры сейсмического фона около нефтяных скважин имеют схожие особенности, которые сильно отличаются от статистических характеристик сейсмической записи около “сухой” скважины, находящейся за пределами залежи и не давшей притока нефти. Выявлены неизвестные ранее прогностические признаки типа насыщения пород нефть/вода.
Акустический журнал. 2025;71(2):284-298
284-298
ИНФОРМАЦИЯ
Игорь Борисович Есипов (К 80-летию со дня рождения)
Акустический журнал. 2025;71(2):323-324
323-324